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Einrichtung zur Erfassung der in einem Stromkreis während eines bestimmten Zeitabschnitts auftretenden totalen Änderung der
Leistung, bzw. einer Strom- oder Spannungskomponente
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfassung der in einem Stromkreis während eines bestimmten Zeitabschnitts auftretenden totalen Änderung der Leistung bzw. einer Stromoder Spannungskomponente, wobei eine Differenzspannung Verwendung findet, die von zwei gleichgerichteten Teilspannungen gebildet wird, welche wiederum aus der geometrischen Summe und der geometrischen Differenz einer der Spannung und einer dem Strom proportionalen Grösse bestehen.
Bei Dreiphasentransformatoren, die aus drei einphasigen Stufentransformatoren aufgebaut sind, erfolgen die Schaltmassnahmen der nicht synchronisierten Schaltantriebe praktisch nie gleichzeitig. Es ist in diesem Fall wichtig, statt der Einzeländerungen die totalen Änderungen der Leistung bzw. des Stromes und der Spannung im Stromkreis zu erfassen. Bei statistischen Messmethoden liegt die gleiche technische Aufgabe vor.
Das vorgenannte Problem lässt sich in vorteilhafter Weise durch die Erfindung lösen. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass an einer Differenzspannung ein Kondensator liegt, der zu Beginn der Messperiode durch einen ersten Kontakt abgetrennt und am Ende der Messperiode in Reihenschaltung mit einer Relaiseinrichtung durch einen zweiten Kontakt wieder an die Differenzspannung gelegt wird, so dass an der Relaiseinrichtung die Differenz zwischen der am Kondensator vorhandenen Ladespannung bei Beginn der Messung und der Spannung am Ende der Messperiode auftritt.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch wiedergegeben.
Fig. 1 dient zur Erläuterung der Wirkungsweise. Die Fig. 2,3 und 5 stellen bekannte Anordnungen dar bzw. Einrichtungen, die als naheliegende Weiterbildung des Standes der Technik zu werten sind. Auf die eigentliche Erfindung beziehen sich die Fig. 4 und 6.
Fig. 2 zeigt eine Schaltung für Blindstrommessungen. Ein an den Phasen S und T liegender Spannungswandler 1 speist einen Zwischenspannungswandler 2, welcher zwei unter sich gleiche Sekundärwicklungen besitzt. Letztere sind mit je einem Gleichrichter 6a und 6b über Widerstände 5a und 5b verbunden. In diesen Widerständen wird ein dem Strom der Zwischenwandler 4a und 4b proportionaler Spannungsabfall erzeugt. Ein in die Phase R geschalteter Stromwandler 3 erregt die Zwischenwandler 4a und 4b. Die Schaltung ist so gewählt, dass ein Gleichrichter die geometrische Summe, gebildet aus der Spannung und einer dem Strom proportionalen Spannung erhält und der andere die geometrische Differenz dieser zwei Grössen, wie dies aus dem Zeigerdiagramm der Fig. 1b hervorgeht.
Legt man deren Bezeichnungen zu Grunde, so ergibt eine Zwischenrechnung die Beziehung
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Ist derStromvektor I imVerhältnis zumSpannungsvektor U klein, so wird Ua + Ub sus 2 U und somit
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Die Differenz der beiden gleichgerichteten Teilspannungen ist somit annähernd proportional der Blindkomponente des Stromes bezüglich der Phasenspannung R (Fig. lc). Durch geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen Stromvektor und Spannungsvektor lässt sich der Fehler, welcher durch die oben erwähnte Vereinfachung auftritt, beliebig verkleinern. Dieser Fehler ist proportional dem Unterschied zwischen 2. U und Ua + Ub. Er lässt sich aus der Gleichung
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errechnen.
Er erreicht sein Maximum, wenn sin = 0, 58 und cos = j : 0, 82 ist. Beträgt beispielsweise bei Vollast I/U = 0, 2, so erreicht der maximale Fehler zirka 0, 810 des Nennstromes.
Wird an Stelle der Spannung ST eine Spannung in Richtung der Phasenspannung R gewählt, so erhält man das Zeigerdiagramm der Fig. la. Obige Formeln gelten sinngemäss, und die Differenz der gleicherichteten Teilspannungen ist nun annähernd der Wirkkomponente des Stromes bezüglich der Phasenspannung R proportional.
Durch entsprechende Wahl der Phasenlage der bei der Messung verwendeten Spannung, kann'eine Stromkomponente in einer beliebigen Richtung erfasst werden, wobei hauptsächlich die Wirk- und Blindkomponenten von Bedeutung sind.
Falls der Spannungsvektor wesentlich kleiner ist als der Stromvektor, erhält man eine Differenzspannung, die annähernd der Wirk- bzw. Blindkomponente der Spannung proportional ist. Im Normalbetrieb kann man eine solche Schaltung nicht brauchen, da der Strom sehr klein werden kann und demzufolge wiederum die Wirk- oder Blindstromkomponente erfasst wird. Sie lässt sich jedoch bei gewissen Schutzschaltungen anwenden, die nur dann in Funktion treten, wenn der Strom infolge eines Kurzschlusses oder einer Überlast gross genug ist gegenüber der Spannung.
Die gleichgerichteten Spannungen werden nötigenfalls mit Hilfe der Drosselspulen 7a, 7b und der Kondensatoren 8a, 8b (Fig. 2) geglättet. Die Widerstände 9a und 9b gestatten das Fliessen des Differenzstromes und die Entladung der Kondensatoren 8a, 8b bei Spannungssenkung. An die Differenzspannung sind die Relaisspule 11 und der Kondensator 10 in Reihe geschaltet. Im stationären Zustand tritt in diesem Kreise kein Strom auf. Bei plötzlicher Änderung der Differenzgleichspannung fliesst jedoch in der Relaisspule eine Elektrizitätsmenge, die gegeben ist durch das Produkt der Spannungsänderung und der Kapazität des Kondensators 10.
Wird das Relais so ausgelegt, dass sein Weg proportional der bei einem Stoss fliessenden Elektrizitäts-Menge ist (dies trifft immer dann zu, wenn die Zeitkonstante des Kreises bedeutend kleiner ist als die Ansprechzeit des Relais oder wenn letzteres eine ganz kleine Rückstellkraft und eine der Geschwindigkeit proportionale Dämpfung besitzt), so spricht das Relais auf eine ganz bestimmte Änderung der Differenzspannung und somit auf eine bestimmte Änderung des Wirkstromes bzw. des Blindstromes an. Ist das Relais beispielsweise mit einem Dauermagneten polarisieit, so kann es zwischen Zunahme und Abnahme des Wirk- bzw. des Blindstromes unterscheiden. Sein Kontakt 12 trifft entsprechende Schaltmassnahmen.
Falls bei Verwendung eines dynamischen Relais die eine Wicklung durch einen der Netzspannung proportionalen Gleichstrom gespeist wird, so misst das Relais die Wirk- bzw. die Blindleistungsänderungen. Muss umgekehrt die Änderung der Differenzspannung einen der Spannung proportionalen Wert überschreiten, um ein Ansprechen zu bewirken, was mit einer der Spannung proportionalen Polarisierung eines Relais oder eines Verstärkers leicht zu verwirklichen ist, so spricht die Einrichtung bei einer bestimmten Änderung der Konduktanz (= Wirkleitwert, d. h. Verhältnis des Wirkstromes zur Span-
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des Kondensators 10 kann auch, beispielsweise bei einer Regelung, ein der Änderungsgeschwindigkeit des Wirk- oder Blindstromes proportionales Signal geben, das sich nötigenfalls mit einem magnetischen oder elektronischen Verstärker vergrössern lässt.
Gemäss Fig. 3, in der gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. 2, können entsprechende Resultate erreicht werden, indem man die Spannung und den Strom in Zwischenstromwandlern addiert bzw. subtrahiert. Die Zwischenwandler 15a und 15b besitzen je zwei Primärwicklungen. Die eine wird gespeist durch den über den Widerstand 14 fliessenden Strom, welcher proportional ist der durch den Spannungswandler 1 abgegebenen Spannung. Die zweite Primärwicklung erhält ihren Strom vom Stromwandler 3. Die resultierenden Ströme werden durch die Gleichrichter 6a und 6b gleichgerichtet und miteinander verglichen. Ihre Differenz fliesst in der Primärwicklung des Differenziertransformators 13.
Letzterer ist ein Transformator mit Luftspalt, welcher beim grössten vorkommenden Betriebsgleichstrom nicht gesättigt ist. Damit die Stromdifferenz ganz durch die Primärwicklung des Differenziertransfor-
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richter 6. Nötigenfalls ist der Strom zu glätten. Die Sekundärspannung des Differenziertransformators stellt ein der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Blind- oder Wirkstromes proportionales Signal dar. Bei plötzlichen Änderungen ist die im Sekundärkreis des Differenziertransformators fliessende Elektrizitätsmenge wiederum proportional der Änderung der Differenz der gleichgerichteten Ströme und damit auch des Blind- oder Wirkstromes. Das Relais 11 mit seinem Kontakt 12 funktioniert also auf ähnliche Weise wie im vorhergehenden Beispiel.
Fig. 5 zeigt die gleiche Schaltung wie Fig. 3, d. h. die Summierung der Spannung und des Stromes in Zwischenstromwandlern, aber für dreiphasigen Anschluss. Hier wird die Anzahl der Haupt-und Zwischenwandler verdoppelt. Die Wirk- und Blindstromänderungen werden auch bei unsymmetrischer Belastung richtig erfasst, und die Wechselkomponente des gleichgerichteten Stromes ist wesentlich kleiner.
Die Einrichtung gemäss Fig. 4 ist ebenfalls dreiphasig angeschlossen. Der Oberwellengehalt der gleichgerichteten Spannung ist dadurch wesentlich kleiner als bei einphasigem Anschluss. Die Schaltung der Fig. 4 ist weitgehend derjenigen von Fig. 2 ähnlich. Die Zahl der Haupt- und Zwischenwandler ist jedoch verdoppelt und die resultierenden Spannungen werden paarweise in der bekannten V-Schaltung gruppiert.
Die Widerstände 5c, die ebenso gross sind wie die Widerstände 5a und 5b bewirken, dass die Spannungsabfälle symmetrisch werden. Somit muss der Strom in jedem Augenblick durch zwei solche Widerstände fliessen. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Wirk- oder Blindstromänderungen über eine gewisse Zeitspanne zu integrieren und nicht jede augenblickliche Änderung zu erfassen. Das Relais muss in diesem Falle die totalen Änderungen messen. Man könnte die Zeitkonstante des Differenzierkreises sehr gross machen gegenüber der eigentlichen Messzeit, oder ein Integrierrelais, beispielsweise mit geschwindigkeitsproportionaler Dämpfung verwenden. Beide Lösungen erfordern aber einen ziemlich grossen Aufwand. Eine einfachere Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt.
Vor der Messung ist der Kontakt 16 geschlossen, so dass der Kondensator 10 die jeweilige Spannungsdifferenz aufnimmt. Bei Beginn der Messperiode wird der Kontakt 16 geöffnet. Der Kondensator behält die unmittelbar vorherrschende Spannung. Am Ende der Messperiode schliesst der Kontakt 17, und das Relais 11 erhält einen Strom, der der Spannungsänderung während der Messperiode proportional ist. Damit keine Fälschung der Messung durch einen Wechselstromanteil erfolgt, muss die Differenzspannung zwischen den Gleichrichtern 6a und 6b gut geglättet sein, beispielsweise mit einer Siebkette, bestehend aus der Drosselspule 7 und dem Kondensator 8. In diesem Fall wird wegen des viel kleineren Oberwellengehalts mit Vorteil der dreiphasige Anschluss gewählt, wobei die Gleichrichter 6 in Dreiphasenbrückenschaltung angeordnet sind.
Will man ganz kleine Änderungen erfassen, so kann die Gleichspannungs- oder Gleichstromdifferenz verstärkt werden, bevor sie differenziert wird. a. zw. mit elektronischen oder magnetischen Verstärkern.
Fig. 6 zeigt, wie eine Kaltkathodenröhre als Relais zur Erfassung der Wirk- oder Blindstromänderung verwendet werden kann. Der Kondensator 10 liegt in Reihe mit dem Potentiometer 18 an der Spannungsdifferenz, welche dem zu messenden Wirk- oder Blindstrom proportional ist. Um mit verhältnismässig kleinen Gleichspannungen auszukommen, wird die Spannungsänderung, welche am Potentiometer 18 auftritt, bei der Messung durch den Transformator 19 auftransformiert. Diese Spannung liegt über den Begrenzungswiderstand 21 und den Gleichrichter 22 zwischen Steuerelektrode und Kathode der Kaltkathodenröhre 23. Beim Erreichen einer bestimmten Spannung zündet die Röhre 23, und die Relaisspule 24 wird erregt.
Die Schaltmassnahmen erfolgen mit dem Kontakt 26, wobei der Kontakt 25 die Speisung der Röhre kurzzeitig unterbricht, so dass sie wieder löscht. Ein Überspannungsableiter 20 verhindert das Auftreten von gefährlichen Überspannungen bei sehr grossen Änderungen. Infolge des Gleichrichters 22 spricht die Einrichtung sowohl bei positiven wie bei negativen Änderungen an. Sollen je nach der Richtung der Änderung verschiedene Schaltmassnahmen getroffen werden, so sind zwei Röhren vorzusehen, wobei jede für eine Polarität funktioniert. Das Potentiometer 18 gestattet die Einstellung des Ansprechwertes.
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Device for the detection of the total change of the occurring in a circuit during a certain period of time
Power, or a current or voltage component
The present invention relates to a device for detecting the total change in power or a current or voltage component occurring in a circuit during a certain period of time, a differential voltage being used which is formed from two rectified partial voltages, which in turn are made up of the geometric sum and the geometric difference between a voltage and a quantity proportional to the current.
In the case of three-phase transformers made up of three single-phase step transformers, the switching measures of the non-synchronized switching drives are practically never carried out simultaneously. In this case it is important to record the total changes in the power or the current and the voltage in the circuit instead of the individual changes. The same technical task applies to statistical measurement methods.
The aforementioned problem can be solved in an advantageous manner by the invention. This is characterized in that a capacitor is connected to a differential voltage, which is separated by a first contact at the beginning of the measurement period and connected to the differential voltage again at the end of the measurement period in series with a relay device by a second contact, so that the relay device has the Difference between the charging voltage present on the capacitor at the beginning of the measurement and the voltage at the end of the measurement period.
In the drawing, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown schematically.
Fig. 1 serves to explain the mode of operation. 2, 3 and 5 show known arrangements or devices that are to be assessed as an obvious further development of the prior art. FIGS. 4 and 6 relate to the actual invention.
Fig. 2 shows a circuit for reactive current measurements. A voltage converter 1 connected to phases S and T feeds an intermediate voltage converter 2, which has two identical secondary windings. The latter are each connected to a rectifier 6a and 6b via resistors 5a and 5b. A voltage drop proportional to the current of the intermediate converters 4a and 4b is generated in these resistors. A current transformer 3 connected to phase R excites intermediate transformers 4a and 4b. The circuit is chosen so that one rectifier receives the geometric sum, formed from the voltage and a voltage proportional to the current, and the other receives the geometric difference between these two quantities, as can be seen from the phasor diagram in FIG. 1b.
If you take their names as a basis, an interim calculation gives the relationship
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If the current vector I is small in relation to the voltage vector U, then Ua + Ub sus 2 U and thus
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The difference between the two rectified partial voltages is thus approximately proportional to the reactive component of the current with respect to the phase voltage R (FIG. 1c). By suitable choice of the ratio between the current vector and the voltage vector, the error that occurs due to the above-mentioned simplification can be reduced as desired. This error is proportional to the difference between 2. U and Ua + Ub. It can be derived from the equation
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calculate.
It reaches its maximum when sin = 0.58 and cos = j: 0.82. If, for example, I / U = 0.2 at full load, the maximum error will reach approximately 0.810 of the rated current.
If a voltage in the direction of the phase voltage R is selected instead of the voltage ST, the phasor diagram of FIG. La is obtained. The above formulas apply accordingly, and the difference between the equally directed partial voltages is now approximately proportional to the active component of the current with respect to the phase voltage R.
By appropriate selection of the phase position of the voltage used in the measurement, a current component can be detected in any direction, the active and reactive components being mainly of importance.
If the voltage vector is significantly smaller than the current vector, a differential voltage is obtained which is approximately proportional to the active or reactive component of the voltage. Such a circuit cannot be used in normal operation, since the current can become very small and consequently the active or reactive current component is recorded. However, it can be used with certain protective circuits that only function when the current is large enough compared to the voltage due to a short circuit or an overload.
If necessary, the rectified voltages are smoothed with the aid of the choke coils 7a, 7b and the capacitors 8a, 8b (FIG. 2). The resistors 9a and 9b allow the differential current to flow and the capacitors 8a, 8b to discharge when the voltage drops. The relay coil 11 and the capacitor 10 are connected in series to the differential voltage. In the steady state there is no current in this circle. In the event of a sudden change in the differential DC voltage, however, an amount of electricity flows in the relay coil which is given by the product of the voltage change and the capacitance of the capacitor 10.
Is the relay designed in such a way that its path is proportional to the amount of electricity flowing in the event of a shock (this always applies if the time constant of the circuit is significantly smaller than the response time of the relay or if the latter has a very small restoring force and one of the speed proportional damping), the relay responds to a very specific change in the differential voltage and thus to a specific change in the active current or the reactive current. If the relay is polarized with a permanent magnet, for example, it can distinguish between an increase and a decrease in the active or reactive current. His contact 12 takes appropriate switching measures.
If, when using a dynamic relay, one winding is fed by a direct current proportional to the mains voltage, the relay measures the changes in active or reactive power. Conversely, if the change in the differential voltage has to exceed a value proportional to the voltage in order to cause a response, which can be easily achieved with a polarization of a relay or amplifier proportional to the voltage, the device speaks at a certain change in the conductance (= effective conductance, ie ratio of the active current to the voltage
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of the capacitor 10 can also give a signal proportional to the rate of change of the active or reactive current, for example in the case of regulation, which signal can, if necessary, be increased with a magnetic or electronic amplifier.
According to FIG. 3, in which the same parts are provided with the same reference symbols as in FIG. 2, corresponding results can be achieved by adding or subtracting the voltage and the current in intermediate current converters. The intermediate converters 15a and 15b each have two primary windings. One is fed by the current flowing through the resistor 14, which is proportional to the voltage output by the voltage converter 1. The second primary winding receives its current from the current transformer 3. The resulting currents are rectified by the rectifiers 6a and 6b and compared with one another. Their difference flows in the primary winding of the differentiating transformer 13.
The latter is a transformer with an air gap, which is not saturated when the largest operating direct current occurs. So that the current difference passes completely through the primary winding of the differentiating transformer
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judge 6. If necessary, the current is to be smoothed. The secondary voltage of the differentiating transformer represents a signal proportional to the rate of change of the reactive or active current over time. In the event of sudden changes, the amount of electricity flowing in the secondary circuit of the differentiating transformer is proportional to the change in the difference between the rectified currents and thus also the reactive or active current. The relay 11 with its contact 12 thus functions in a similar way as in the previous example.
Fig. 5 shows the same circuit as Fig. 3; H. the summation of voltage and current in intermediate current transformers, but for three-phase connection. Here the number of main and intermediate converters is doubled. The active and reactive current changes are correctly recorded even with asymmetrical loading, and the alternating component of the rectified current is significantly smaller.
The device according to FIG. 4 is also connected in three phases. As a result, the harmonic content of the rectified voltage is significantly lower than with a single-phase connection. The circuit of FIG. 4 is largely similar to that of FIG. However, the number of main and intermediate converters is doubled and the resulting voltages are grouped in pairs in the known V-connection.
The resistors 5c, which are as large as the resistors 5a and 5b, have the effect that the voltage drops become symmetrical. Thus the current must flow through two such resistors at any moment. The invention is based on the object of integrating the active or reactive current changes over a certain period of time and not detecting every instantaneous change. In this case the relay must measure the total changes. The time constant of the differentiating circle could be made very large compared to the actual measuring time, or an integrating relay could be used, for example with damping proportional to the speed. Both solutions, however, require quite a lot of effort. A simpler circuit is shown in FIG.
Before the measurement, the contact 16 is closed, so that the capacitor 10 absorbs the respective voltage difference. At the beginning of the measurement period, contact 16 is opened. The capacitor maintains the immediately prevailing voltage. At the end of the measuring period the contact 17 closes, and the relay 11 receives a current which is proportional to the voltage change during the measuring period. So that the measurement is not falsified by an alternating current component, the differential voltage between the rectifiers 6a and 6b must be smoothed well, for example with a filter chain consisting of the choke coil 7 and the capacitor 8. In this case, because of the much smaller harmonic content, the Three-phase connection selected, the rectifiers 6 being arranged in a three-phase bridge circuit.
If you want to capture very small changes, the DC voltage or DC current difference can be amplified before it is differentiated. a. with electronic or magnetic amplifiers.
Fig. 6 shows how a cold cathode tube can be used as a relay for detecting the change in active or reactive current. The capacitor 10 is in series with the potentiometer 18 at the voltage difference, which is proportional to the active or reactive current to be measured. In order to make do with relatively small DC voltages, the voltage change that occurs at the potentiometer 18 is transformed by the transformer 19 during the measurement. This voltage lies across the limiting resistor 21 and the rectifier 22 between the control electrode and cathode of the cold cathode tube 23. When a certain voltage is reached, the tube 23 ignites and the relay coil 24 is energized.
The switching measures take place with the contact 26, whereby the contact 25 briefly interrupts the supply of the tube so that it goes out again. A surge arrester 20 prevents dangerous surge voltages from occurring in the event of very large changes. As a result of the rectifier 22, the device responds to both positive and negative changes. If different switching measures are to be taken depending on the direction of the change, two tubes must be provided, each of which works for one polarity. The potentiometer 18 allows the response value to be set.
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